円筒座標と球座標でのDel

これは、一般的な曲線座標系を扱うためのベクトル計算の公式のリストです。

• この記事では、球面座標にISO 31-11に代わる標準表記法ISO 80000-2 を使用します（他のソースではθとφの定義が逆になっている場合があります）。
  • 極角は で表されます。これは、原点と問題の点を結ぶ放射状ベクトルとz軸との間の角度です。${\displaystyle \theta \in [0,\pi ]}$
  • 方位角は で表されます。これは、 x軸と、放射状ベクトルのxy平面への投影との間の角度です。${\displaystyle \varphi \in [0,2\pi ]}$
• 関数atan2 ( y , x )は、その定義域と像により、数学関数arctan ( y / x )の代わりに使用できます。古典的な arctan 関数は(−π/2, +π/2)の像を持ちますが、 atan2 は(−π, π]の像を持つように定義されています。

この演算は、2 つの引数を持つ逆正接atan2として解釈される必要があることに注意してください。 ${\displaystyle \arctan \left({\frac {A}{B}}\right)}$

^α このページでは、極角には 、方位角には を使用します。これは物理学で一般的な表記法です。これらの式に使用されているソースでは、方位角には 、極角には を使用しています。これは数学で一般的な表記法です。数学式を取得するには、上の表に示されている式でと を${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \varphi }$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \varphi }$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \varphi }$

^β 直交座標では と定義されます。別の定義は です。${\displaystyle \partial _{i}\mathbf {A} \otimes \mathbf {e} _{i}}$${\displaystyle \mathbf {e} _{i}\otimes \partial _{i}\mathbf {A} }$

^γ 直交座標では と定義されます。別の定義は です。${\displaystyle \mathbf {e} _{i}\cdot \partial _{i}\mathbf {T} }$${\displaystyle \partial _{i}\mathbf {T} \cdot \mathbf {e} _{i}}$

1. ${\displaystyle \operatorname {div} \,\operatorname {grad} f\equiv \nabla \cdot \nabla f\equiv \nabla ^{2}f}$
2. ${\displaystyle \operatorname {curl} \,\operatorname {grad} f\equiv \nabla \times \nabla f=\mathbf {0} }$
3. ${\displaystyle \operatorname {div} \,\operatorname {curl} \mathbf {A} \equiv \nabla \cdot (\nabla \times \mathbf {A} )=0}$
4. ${\displaystyle \operatorname {curl} \,\operatorname {curl} \mathbf {A} \equiv \nabla \times (\nabla \times \mathbf {A} )=\nabla (\nabla \cdot \mathbf {A} )-\nabla ^{2}\mathbf {A} }$（ラグランジュの公式）
5. ${\displaystyle \nabla ^{2}(fg)=f\nabla ^{2}g+2\nabla f\cdot \nabla g+g\nabla ^{2}f}$
6. ${\displaystyle \nabla ^{2}\left(\mathbf {P} \cdot \mathbf {Q} \right)=\mathbf {Q} \cdot \nabla ^{2}\mathbf {P} -\mathbf {P} \cdot \nabla ^{2}\mathbf {Q} +2\nabla \cdot \left[\left(\mathbf {P} \cdot \nabla \right)\mathbf {Q} +\mathbf {P} \times \nabla \times \mathbf {Q} \right]\quad }$^{（ [4]} より）

$${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {div} \mathbf {A} =\lim _{V\to 0}{\frac {\iint _{\partial V}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {S} }{\iiint _{V}dV}}&={\frac {A_{x}(x+dx)\,dy\,dz-A_{x}(x)\,dy\,dz+A_{y}(y+dy)\,dx\,dz-A_{y}(y)\,dx\,dz+A_{z}(z+dz)\,dx\,dy-A_{z}(z)\,dx\,dy}{dx\,dy\,dz}}\\&={\frac {\partial A_{x}}{\partial x}}+{\frac {\partial A_{y}}{\partial y}}+{\frac {\partial A_{z}}{\partial z}}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{x}=\lim _{S^{\perp \mathbf {\hat {x}} }\to 0}{\frac {\int _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {\ell } }{\iint _{S}dS}}&={\frac {A_{z}(y+dy)\,dz-A_{z}(y)\,dz+A_{y}(z)\,dy-A_{y}(z+dz)\,dy}{dy\,dz}}\\&={\frac {\partial A_{z}}{\partial y}}-{\frac {\partial A_{y}}{\partial z}}\end{aligned}}}$$

およびの表現も同様に見つけられます。 ${\displaystyle (\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{y}}$${\displaystyle (\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{z}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {div} \mathbf {A} &=\lim _{V\to 0}{\frac {\iint _{\partial V}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {S} }{\iiint _{V}dV}}\\&={\frac {A_{\rho }(\rho +d\rho )(\rho +d\rho )\,d\phi \,dz-A_{\rho }(\rho )\rho \,d\phi \,dz+A_{\phi }(\phi +d\phi )\,d\rho \,dz-A_{\phi }(\phi )\,d\rho \,dz+A_{z}(z+dz)\,d\rho \,(\rho +d\rho /2)\,d\phi -A_{z}(z)\,d\rho (\rho +d\rho /2)\,d\phi }{\rho \,d\phi \,d\rho \,dz}}\\&={\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial (\rho A_{\rho })}{\partial \rho }}+{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial A_{\phi }}{\partial \phi }}+{\frac {\partial A_{z}}{\partial z}}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\rho }&=\lim _{S^{\perp {\hat {\boldsymbol {\rho }}}}\to 0}{\frac {\int _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}{\iint _{S}dS}}\\[1ex]&={\frac {A_{\phi }(z)\left(\rho +d\rho \right)\,d\phi -A_{\phi }(z+dz)\left(\rho +d\rho \right)\,d\phi +A_{z}(\phi +d\phi )\,dz-A_{z}(\phi )\,dz}{\left(\rho +d\rho \right)\,d\phi \,dz}}\\[1ex]&=-{\frac {\partial A_{\phi }}{\partial z}}+{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial A_{z}}{\partial \phi }}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\phi }&=\lim _{S^{\perp {\boldsymbol {\hat {\phi }}}}\to 0}{\frac {\int _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}{\iint _{S}dS}}\\&={\frac {A_{z}(\rho )\,dz-A_{z}(\rho +d\rho )\,dz+A_{\rho }(z+dz)\,d\rho -A_{\rho }(z)\,d\rho }{d\rho \,dz}}\\&=-{\frac {\partial A_{z}}{\partial \rho }}+{\frac {\partial A_{\rho }}{\partial z}}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{z}&=\lim _{S^{\perp {\hat {\boldsymbol {z}}}}\to 0}{\frac {\int _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {\ell } }{\iint _{S}dS}}\\[1ex]&={\frac {A_{\rho }(\phi )\,d\rho -A_{\rho }(\phi +d\phi )\,d\rho +A_{\phi }(\rho +d\rho )(\rho +d\rho )\,d\phi -A_{\phi }(\rho )\rho \,d\phi }{\rho \,d\rho \,d\phi }}\\[1ex]&=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial A_{\rho }}{\partial \phi }}+{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial (\rho A_{\phi })}{\partial \rho }}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {curl} \mathbf {A} &=(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\rho }{\hat {\boldsymbol {\rho }}}+(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\phi }{\hat {\boldsymbol {\phi }}}+(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{z}{\hat {\boldsymbol {z}}}\\[1ex]&=\left({\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial A_{z}}{\partial \phi }}-{\frac {\partial A_{\phi }}{\partial z}}\right){\hat {\boldsymbol {\rho }}}+\left({\frac {\partial A_{\rho }}{\partial z}}-{\frac {\partial A_{z}}{\partial \rho }}\right){\hat {\boldsymbol {\phi }}}+{\frac {1}{\rho }}\left({\frac {\partial (\rho A_{\phi })}{\partial \rho }}-{\frac {\partial A_{\rho }}{\partial \phi }}\right){\hat {\boldsymbol {z}}}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {div} \mathbf {A} &=\lim _{V\to 0}{\frac {\iint _{\partial V}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {S} }{\iiint _{V}dV}}\\&={\frac {A_{r}(r+dr)(r+dr)\,d\theta \,(r+dr)\sin \theta \,d\phi -A_{r}(r)r\,d\theta \,r\sin \theta \,d\phi +A_{\theta }(\theta +d\theta )\sin(\theta +d\theta )r\,dr\,d\phi -A_{\theta }(\theta )\sin(\theta )r\,dr\,d\phi +A_{\phi }(\phi +d\phi )r\,dr\,d\theta -A_{\phi }(\phi )r\,dr\,d\theta }{dr\,r\,d\theta \,r\sin \theta \,d\phi }}\\&={\frac {1}{r^{2}}}{\frac {\partial (r^{2}A_{r})}{\partial r}}+{\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial (A_{\theta }\sin \theta )}{\partial \theta }}+{\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial A_{\phi }}{\partial \phi }}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{r}=\lim _{S^{\perp {\boldsymbol {\hat {r}}}}\to 0}{\frac {\int _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {\ell } }{\iint _{S}dS}}&={\frac {A_{\theta }(\phi )r\,d\theta +A_{\phi }(\theta +d\theta )r\sin(\theta +d\theta )\,d\phi -A_{\theta }(\phi +d\phi )r\,d\theta -A_{\phi }(\theta )r\sin(\theta )\,d\phi }{r\,d\theta \,r\sin \theta \,d\phi }}\\&={\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial (A_{\phi }\sin \theta )}{\partial \theta }}-{\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial \phi }}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\theta }=\lim _{S^{\perp {\boldsymbol {\hat {\theta }}}}\to 0}{\frac {\int _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {\ell } }{\iint _{S}dS}}&={\frac {A_{\phi }(r)r\sin \theta \,d\phi +A_{r}(\phi +d\phi )\,dr-A_{\phi }(r+dr)(r+dr)\sin \theta \,d\phi -A_{r}(\phi )\,dr}{dr\,r\sin \theta \,d\phi }}\\&={\frac {1}{r\sin \theta }}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \phi }}-{\frac {1}{r}}{\frac {\partial (rA_{\phi })}{\partial r}}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\phi }=\lim _{S^{\perp {\boldsymbol {\hat {\phi }}}}\to 0}{\frac {\int _{\partial S}\mathbf {A} \cdot d\mathbf {\ell } }{\iint _{S}dS}}&={\frac {A_{r}(\theta )\,dr+A_{\theta }(r+dr)(r+dr)\,d\theta -A_{r}(\theta +d\theta )\,dr-A_{\theta }(r)r\,d\theta }{r\,dr\,d\theta }}\\&={\frac {1}{r}}{\frac {\partial (rA_{\theta })}{\partial r}}-{\frac {1}{r}}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \theta }}\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {curl} \mathbf {A} &=(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{r}\,{\hat {\boldsymbol {r}}}+(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\theta }\,{\hat {\boldsymbol {\theta }}}+(\operatorname {curl} \mathbf {A} )_{\phi }\,{\hat {\boldsymbol {\phi }}}\\[1ex]&={\frac {1}{r\sin \theta }}\left({\frac {\partial (A_{\phi }\sin \theta )}{\partial \theta }}-{\frac {\partial A_{\theta }}{\partial \phi }}\right){\hat {\boldsymbol {r}}}+{\frac {1}{r}}\left({\frac {1}{\sin \theta }}{\frac {\partial A_{r}}{\partial \phi }}-{\frac {\partial (rA_{\phi })}{\partial r}}\right){\hat {\boldsymbol {\theta }}}+{\frac {1}{r}}\left({\frac {\partial (rA_{\theta })}{\partial r}}-{\frac {\partial A_{r}}{\partial \theta }}\right){\hat {\boldsymbol {\phi }}}\end{aligned}}}$$

座標パラメータuの単位ベクトルは、uの小さな正の変化によって位置ベクトルの方向が変化するように定義されます。 ${\displaystyle \mathbf {r} }$${\displaystyle \mathbf {u} }$

したがって、 s は円弧の長さのパラメータです。 $${\displaystyle {\frac {\partial {\mathbf {r} }}{\partial u}}={\frac {\partial {s}}{\partial u}}\mathbf {u} }$$

2組の座標系とについて、連鎖律によれば、 ${\displaystyle u_{i}}$${\displaystyle v_{j}}$$${\displaystyle d\mathbf {r} =\sum _{i}{\frac {\partial \mathbf {r} }{\partial u_{i}}}\,du_{i}=\sum _{i}{\frac {\partial s}{\partial u_{i}}}{\hat {\mathbf {u} }}_{i}du_{i}=\sum _{j}{\frac {\partial s}{\partial v_{j}}}{\hat {\mathbf {v} }}_{j}\,dv_{j}=\sum _{j}{\frac {\partial s}{\partial v_{j}}}{\hat {\mathbf {v} }}_{j}\sum _{i}{\frac {\partial v_{j}}{\partial u_{i}}}\,du_{i}=\sum _{i}\sum _{j}{\frac {\partial s}{\partial v_{j}}}{\frac {\partial v_{j}}{\partial u_{i}}}{\hat {\mathbf {v} }}_{j}\,du_{i}.}$$

ここで、^番目の成分を分離します。 については、 とします。次に、両辺を で割って次の式を得ます。 ${\displaystyle i}$${\displaystyle i{\neq }k}$${\displaystyle \mathrm {d} u_{k}=0}$${\displaystyle \mathrm {d} u_{i}}$$${\displaystyle {\frac {\partial s}{\partial u_{i}}}{\hat {\mathbf {u} }}_{i}=\sum _{j}{\frac {\partial s}{\partial v_{j}}}{\frac {\partial v_{j}}{\partial u_{i}}}{\hat {\mathbf {v} }}_{j}.}$$

• デル
• 直交座標
• 曲線座標
• 円筒座標と球座標のベクトル場

• Maxima コンピュータ代数システム スクリプトは、円筒座標と球座標でこれらの演算子の一部を生成します。